KR102564903B1 - 연료 전지를 위한 에너지 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용은 연료 전지에 의해 구동되는 시설의 전력 요구사항을 관리하는 방법을 제공하며, 상기 시설는 비재량적 부하 요구사항을 갖는 기본 시스템; 및 공칭 부하를 갖는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템; 비재량적 부하 요건을 충족하고 하나 이상의 보조 시스템에 전력을 제공하기 위해 기본 시스템에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및 비재량적 부하 요건을 모니터링하고 기본 시스템 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 이 방법은 다음을 포함한다: 비재량적 부하 요건의 변경을 감지하는 단계; 임의의 부하 요건의 변화를 충족시키기 위해 공칭 부하에서 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 공급되는 전력을 조정하는 단계; 및 변경된 비재량적 부하 요건을 충족하기 위해 기본 시스템에 전력을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지를 위한 에너지 관리 시스템
본 발명은 연료 전지 에너지 관리 시스템, 및 이러한 연료 전지에 의해 구동되는 시설을 관리하기 위한 방법에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 전기화학 반응을 통해 연료 및 산화제 소스로부터 전기를 생산하는 전기화학 전지이다. 연료 전지는 다양한 응용 분야에서 전원 공급기(power supply)로서 사용되며, 일반적으로 상업용, 산업용 및 주거용 건물, 특히 외진 곳(remote)이거나 접근이 불가능한 지역에서 기본 전원 및 백업 전원을 제공하는데 사용된다. 연료 전지는 상대적으로 작고 가벼우며 모듈식이며 효율적이기 때문에 이러한 환경에서 특히 유용하다. 또한, 연료 전지에는 움직이는 부품이 없으므로, 견고하고 신뢰할 수 있다. 부하를 충족하는 전력이 단일 전원 공급기(예를 들어, 연료 전지들이 적층된 형태의 연료 전지)에 의해 제공되는 원격 설비들의 경우, 부하 제어는 특히 중요한 요소인데, 왜냐하면 전원 공급기로부터 너무 많은 전력을 끌어오면 전원 공급기가 붕괴될 것이기 때문이다.
다양한 유형의 연료 전지들이 존재한다. 하지만, 대체로 연료전지는 전해질에 의해 분리된 양극(anode)과 음극(cathode)을 포함한다. 작동 중에, 연료 소스(일반적으로 천연 가스 또는 수소와 같은 탄화수소)가 양극에 제공되고, 산화제(일반적으로 공기, 실제로는 산소가 연료 전지에서 사용됨)가 음극에 제공된다. 양극에서 연료 소스는 양성자 교환 막 연료 전지(proton-exchange membrane fuel cell: PEMFC)를 위해 전자와 양이온(cation)으로 분해된다. 그런 다음 이러한 양이온은 전해질을 통해 음극으로 이동한다. 전자는 전해질을 통해 이동하는 것이 방지되고, 대신에 양극과 음극 사이의 와이어 연결을 통해 흐르고 음극에서 산화제 및 양이온과 반응하기 전에(일반적으로 물을 형성함) 양극과 음극 사이의 전기 부하에 전력을 공급한다. 대안적으로, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell: SOFC)와 같은 연료 전지는 음극에서 음이온의 형성 및 전해질을 통한 이러한 음이온의 양극으로의 전달을 포함하며, 양극에서 전자는 연료와 반응하여 물을 형성하는 동안 음이온의 산화를 통해 방출된다. 연료 전지들은 의도되는 어플리케이션 및 전기 부하의 성질에 따라 더 높은 전압 및/또는 전류를 제공하기 위해 연료 전지 스택으로 구성될 수 있다.
연료 전지는 부하의 급격한 변화 및/또는 부하의 고속 사이클링을 처리하기에 적합하지 않다. 연료 전지는 에너지가 가용한 경우에만 고속 사이클링이 가능하므로 최대 연료 이용률에 의해 제한된다. 비재량적인(non-discretional) 전기 부하를 필요로 하는 중요(critical) 시스템의 문제점은 일시적인 부하 요건을 충족하기 어렵다는 점이다. 연료 전지로부터의 증가된 발전의 지연(lag)으로 인하여, 중요 시스템이 고장나거나 셧다운(shutting down)될 수 있다. 반대로, 비재량적 전기 부하에서 일시적이거나(transient), 갑작스럽거나, 또는 예상치 못한 감소가 있는 경우, 전압 서지(voltage surge)가 발생하며, 이는 연료 전지로 구동되는 구성요소 및 시스템을 손상시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템은 전력 소비가 감소했거나, 또는 전력이 소비되지 않고 있음을 감지할 수 있고 이에 따라 생성되는 전력을 줄일 수도 있지만, 이것이 너무 빨리 수행되는 경우, 시스템의 종료를 야기할 수 있다.
전기화학적 반응의 특성으로 인해, 연료 전지는 설정 온도 및 설정 연료 이용률(set fuel utilisation)을 갖는 정상 상태에서 보다 효율적으로 동작한다. 예를 들어, 그러한 시스템에서 전형적인 연료 이용률은 용량의 85%로 제한될 수 있다. 연료 이용률은 연료 전지에서 전기로 변환된 연료의 양을 연료 전지에 들어가는 총 연료량으로 나눈 값을 나타낸다. 하지만, ±5%의 좁은 작동 범위 내에서와 같이, 이로부터 약간의 편차가 발생할 수도 있다. 이 범위 밖으로 전력을 인출하게 하는 전기 부하의 증가 또는 감소는 연료 전지에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 일정한 연료 투입하에서 전기 부하를 증가시키는 것은 연료 전지 구성요소(특히 양극)의 열화를 통해 연료 전지를 "손상"시킬 수 있기 때문에 특히 문제가 된다. 이러한 방식의 연료 전지 구성요소의 고장은 연료 전지의 구조에 부정적인 영향을 미치고, 연료 전지의 성능을 감소시키고, 및/또는 연료 전지의 수명을 단축시킬 수 있다. 전기 부하를 감소시키는 것이 일반적으로 연료 전지의 성능 저하를 야기하는 것은 아니지만 시스템의 셧다운을 유발할 수 있는데, 왜냐하면 초과 전력이 연료 전지 시스템에 버려지게 되어(dumped into) 연료 전지 시스템의 과열을 유발할 수 있다. 따라서, 연료 전지는 일정한 전기 부하 또는 좁거나 및/또는 예측가능한 범위 내에서 변하는 전기 부하에 전력을 공급하는데 특히 적합하며 및/또는 전기 부하의 이러한 변화가 몇 분 정도의 시간 상수를 갖는 경우에 특히 적합하다(연료 전지로부터 전력 생산을 증가시키기 위한 시간 제한적 인자는 일반적으로 연료 전지로 공급되는 연료 및 증기가 증가될 수 있는 비율이므로).
연료 전지가 최대 이용률 부근에서 동작하고 그리고 전기 부하에서 갑작스러운 증가가 발생하는 경우, 연료 전지는 현재의 연료 공급 속도로는 증가된 부하를 감당할 만큼의 능력이 부족할 수 있다. 연료 전지가 증가된 부하를 충족할 수 없다면, 연료 전지에 의해 공급되는 전압에는 상응하는 강하가 존재한다. 이러한 전압 강하는 연료 전지로 구동되는 디바이스 또는 시스템에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 해당 디바이스 또는 시스템의 고장 또는 종료를 초래할 수 있다.
연료 전지 또는 연료 전지 스택으로부터의 전기 출력은 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로의 연료의 흐름을 변경함으로써 조절될 수 있다. 연료 및 산화제의 공급은 일반적으로 연료/증기 및 산화제 스트림의 유량 제어(flow control)에 의해 제한된다. 일반적으로, 연료 전지 시스템이 25%에서 100% 부하로(또는 그 반대로) 조정되는데 몇 분이 소요된다. 따라서, 연료/증기 흐름을 조절하기 위한 응답 시간은 부하의 일시적인 변화를 충족시킬 정도로 충분히 빠르지 않는데, 특히 연료 대 증기 비율도 엄격하게 제어될 필요가 있기 때문이다. 즉, 증가된 부하 요건과, 연료 공급 속도를 증가시킴으로써 증가된 전력을 제공하는 연료 전지의 능력 사이에는 시간 지연이 존재한다. 또한, 연료 전지가 80% 또는 85% 연료 이용률로 실행되는 경우, 연료 전지로부터 전력을 증가시킬 수 있는 마진은 매우 제한적이다. 따라서, 대응하는 연료 증가에 의해 매칭시킬 수 없는 전력 요건의 갑작스런 증가는, 연료 전지에 해로울 수 있는 전압 강하를 야기할 것이며, 이는 특히 연료 이용률이 100%에 접근하거나 전력 요건이 100%의 연료 이용률을 초과하는 경우 연료 전지에 돌이킬 수 없는 손상을 초래할 수 있다.
부하의 일시적인 변화를 처리하기 위해 연료 공급 유량을 조정함에 있어서의 지연과 관련된 또 다른 효과는, 연료 전지로부터의 전력 생산 효율이 감소한다는 점이다. 연료 전지의 효율은 부분적으로 입구(inlet) 온도, 출구(outlet) 온도 및 연료 전지로의 연료 공급 속도에 따라 달라진다. 연료 전지에 공급되는 연료량의 변화는 연료 전지의 입구 온도 또는 출구 온도가 상응하게 조절되지 않으면 연료 전지의 효율을 감소시킬 수 있다. 하지만, 다시한번 언급하자면, 연료 전지의 온도를 조절하는데는 시간이 걸린다. 전력 설정 포인트를 조정한 후 연료 전지가 열 평형에 도달하는데는 몇 시간이 걸릴 수 있다. 따라서, 부하의 일시적이거나 갑작스럽거나 예상치 못한 변화에 대응하여, 연료의 유량을 변경하는 것은, 연료 전지가 최적의 동작 온도의 바깥에서 동작하게 할 수 있으므로, 효율성을 저하시킬 수 있다.
연료 전지의 빠른 사이클링 문제를 해결하기 위한 많은 옵션들이 있다. 에너지는 사용가능한 경우 전력망과 같은 다른 소스에서 직접 가져올 수 있다. 대안적으로, 전기 에너지 저장 매체(예컨대, 배터리, 커패시터 및 슈퍼커패시터)는 초과 에너지를 저장하고 및/또는 비재량적 전기 부하의 일시적이고, 갑작스러운, 또는 예상치 못한 변화를 수용하는데 필요한 추가 에너지를 제공하는데 사용되어 왔다. 즉, 비재량적 전기 부하의 증가가 발생하는 기간 동안, 전력망으로부터 획득되거나 저장된, 또는 저장 매체으로부터 획득되거나 저장된 전기 에너지에 의해서 추가적인 비재량적 부하가 충족될 수 있으며, 따라서 전력망 또는 저장 매체는 일시적인 높은 전류가 흐르는 동안 부하가 에너지를 끌어올 수 있는 에너지 저장소를 제공함으로써 전력을 효과적으로 평활화한다. 이것은 연료 전지의 동작을 더 쉽게 만드는데, 왜냐하면 연료 전지가 전류의 큰 변화들을 처리할 필요가 없기 때문이다. 실제로, 전력망 또는 에너지 저장 매체는 연료 전지에 의해 보여지는 비재량적 부하의 전류 수요를 평균화하는 역할을 한다. 반대로, 비재량적 전기 부하의 감소가 발생하는 기간 동안, 연료 전지에 의해 생성된 초과 전력은 전력망에 저장될 수 있으며; 또는 증가된 비재량적 부하 기간 동안 후속으로 인출되도록 배터리, 커패시터 또는 슈퍼 커패시터에 저장될 수 있다.
비록, 에너지 저장 매체가 비재량적 전기 부하의 일시적인 증가 또는 감소 문제를 해결하기 위한 메커니즘을 제공하지만, 많은 결점을 가지고 있다. 특히 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터는 상당한 부피를 차지하고 그리고 다양한 지원 서비스들을 필요로 하기 때문에, 가용 공간이 협소한 시설에는 적합하지 않다. 또한 이러한 옵션을 설치하려면 상당한 자본이 필요하고 지속적인 운영 비용이 요구된다.
맥나이트(McKnight) 등의 미국 특허 9,563,483 는 다른 접근 방식을 채택하고 있으며, 연료 전지의 부하를 줄이기 위한 메커니즘을 제안한다. 맥나이트 등의 미국 특허는 제어기를 개시하며, 상기 제어기는 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스들에 전력을 공급하는 연료 전지와 전력을 수신하는 컴퓨팅 디바이스들 둘다를 모니터링할 수 있고, 컴퓨팅 디바이스의 전력 소비 수요가 연료 전지에 의해 공급되는 전력보다 더 빠르게 증가하고 있는 동안, 일부 전력 소비 기능들을 비활성화 또는 쓰로틀 다운(throttle down)하도록 컴퓨팅 디바이스에게 지시할 수 있으며, 그리고 컴퓨팅 디바이스의 전력 소비 수요가 연료 전지에 의해 공급되는 전력보다 더 빠르게 감소하고 있는 동안, 일부 전력 소비 기능들을 활성화 또는 쓰로틀 업(throttle up)하도록 컴퓨팅 디바이스에게 지시할 수 있다.
맥나이트 등의 미국 특허는 또한 제어기가 랙(rack)의 하나 이상의 서버 컴퓨팅 디바이스들의 프로세싱을 일시적으로 쓰로틀 다운함에 의해서, 또는 서버 컴퓨팅 디바이스의 팬을 일시적으로 비활성화하는 것과 같이 상기 랙의 서버 컴퓨팅 디바이스들의 다른 전력 소비 부품들 혹은 메커니즘들을 일시적으로 비활성화시킴으로써, 랙(rack)의 서버 컴퓨팅 디바이스들에 의해 수행되는 프로세싱의 적어도 일부를 서버 컴퓨팅 디바이스들의 다른 랙들의 하나 이상의 서버 컴퓨팅 디바이스로 일시적으로 오프로딩하여 연료 전지의 전력 생산의 지연된 증가를 보상할 수 있으며 또는 다른 유사한 일시적인 작업들 또는 이들의 조합을 수행할 수 있다고 서술한다. 계속해서 맥나이트 등의 미국 특허는 서버 컴퓨팅 디바이스에서 실행되는 우선 순위가 낮고 시간이 중요하지 않은 어플리케이션들 또는 태스크들을 중지시키는 것이 대안이 될 수 있으며, 이러한 동작은 서버 컴퓨팅 디바이스들의 전체 프로세싱 부하를 감소시키는 효과가 있으므로, 서버 컴퓨팅 디바이스에 의해 소비되는 전체 전력을 낮출 수 있다고 서술한다.
맥나이트 등의 미국 특허는 또한, 제어기가 랙의 하나 이상의 서버 컴퓨팅 디바이스의 전력 소비를 일시적으로 증가시킴으로써 연료 전지의 전력 생산의 지연된 감소를 보상할 수 있음을 개시한다. 예를 들어, 랙 연료 전지 제어기는 가령, 이러한 서버 컴퓨팅 디바이스의 팬의 속도를 활성화하거나 증가시킴으로써 랙의 하나 이상의 서버 컴퓨팅 디바이스의 냉각 장치를 활성화하거나 증가시킬 수 있다. 이러한 동작은 추가 전력을 소비할 수 있으며, 따라서 전압이 급증(surging)하는 것을 방지할 수 있다. 다른 예로서, 랙 연료 전지 제어기는 랙의 서버 컴퓨팅 디바이스에 대해, 가령, 다른 서버 컴퓨팅 디바이스로부터와 프로세싱 워크로드(workload)를 획득할 수 있으며, 이에 의해 다시 추가적인 전력을 소비한다. 또 다른 예로서, 랙 연료 전지 제어기는 그러한 서버 컴퓨팅 디바이스에 의해 소비되는 전력을 단지 증가시키도록, 랙의 하나 이상의 서버 컴퓨팅 디바이스에게 루프를 실행하거나 다른 유사한 바쁜 작업을 수행하도록 단순히 지시할 수 있으며, 이에 의해 다시한번 연료 전지에서 생성되는 전력의 전압이 급증하는 것을 방지한다.
상기의 관점에서, 맥나이트 등의 미국 특허는 연료 전지의 전체 부하를 비재량적 부하로 취급하는 프로세스를 개시한다. 이러한 부하는 서버 랙의 전기 수요를 증가시키거나 감소시킴으로써(내부 냉각을 줄이거나 프로세싱 요건들을 조절함으로써) 또는 하나의 서버 랙의 전기 수요를 다른 서버 랙으로 전환함으로써, 변경될 수 있다. 맥나이트 등의 미국 특허에 설명된 접근법의 단점은 내부 냉각 또는 컴퓨팅 성능이 감소하면 서버 랙의 전체 효율성이 감소하고 그리고 더 중요한 것은 온도 상승(온도가 너무 많이 상승하는 경우 랙의 전체 수명에 부정적인 영향이 있음) 또는 서버 용량 감소(결과적으로 고객에 대한 서비스가 느려지거나 제한됨)와 같이 서버 동작에 영향을 미친다는 점이다.
상기 결점을 고려하여, 본 발명의 목적은 종래 기술의 방법 및/또는 시스템의 적어도 하나의 결점을 해결하거나 개선하는 방법 및/또는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 언급은 이러한 선행 기술이 모든 사법권에서 통상적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 인정 또는 제안이 아니며, 또는 이러한 선행 기술이 당업자에 의해 이해되고, 관련성이 있는 것으로 간주되고, 및/또는 선행 기술의 다른 부분과 결합될 수 있을 것으로 합리적으로 예상될 수 있다는 인정 또는 제안이 아니다.
상기 결점을 고려하여, 본 발명의 목적은 종래 기술의 방법 및/또는 시스템의 적어도 하나의 결점을 해결하거나 개선하는 방법 및/또는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양상에서, 연료 전지에 의해 구동되는(powered) 시설의 전력 요건들을 관리하는 방법이 제공되며, 상기 시설은, 비재량적 부하 요건을 갖는 기본 시스템; 공칭 부하(nominal load)를 갖는 하나 이상의 보조(ancillary) 부하 소비 시스템들; 비재량적 부하 요건들을 충족하도록 기본 시스템에 전력을 제공하고 그리고 하나 이상의 보조 시스템들에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및 비재량적 부하 요건들을 모니터링하고 기본 시스템 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 방법은, 비재량적 부하 요건의 변화를 검출하는 단계; 비재량적 부하 요건의 변화를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 조정하는 단계; 및 변화된 비재량적 부하 요건을 충족하도록 기본 시스템에 전력을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 2 양상에서, 연료 전지에 의해 구동되는 데이터 센터 시설의 전력 요건들을 관리하는 방법이 제공되며, 상기 데이터 센터 시설은, 하나 이상의 서버들을 포함하고 비재량적 부하 요건을 갖는 적어도 하나의 서버 랙; 공칭 부하를 갖는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들; 비재량적 부하 요건들을 충족하도록 적어도 하나의 서버 랙에 전력을 제공하고 그리고 하나 이상의 보조 시스템들에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및 비재량적 부하 요건들을 모니터링하고 적어도 하나의 서버 랙 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 방법은, 비재량적 부하 요건의 변화를 검출하는 단계; 비재량적 부하 요건의 변화를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 조정하는 단계; 및 변화된 비재량적 부하 요건을 충족하도록 적어도 하나의 서버 랙에 전력을 제공하는 단계를 포함한다.
제 2 양상의 실시예에서, 적어도 하나의 서버 랙의 비재량적 부하는 서버들의 계산 능력 및 서버들 및/또는 서버 랙의 내부 냉각에 의해 요구되는 부하를 적어도 포함한다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 적어도 하나의 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지이다.
당업자는 적어도 하나의 연료 전지가 AC 전력 또는 DC 전력을 제공할 수 있음을 이해할 것이다. 유사하게, 본 명세서에 설명된 전기 시스템은 AC 또는 DC 시스템일 수 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 비재량적 부하 요건의 변화는 비재량적 부하의 증가 또는 비재량적 부하의 감소일 수 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 방법은 공칭 부하에서 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 전력을 제공하기 위해 적어도 하나의 연료 전지의 전력 출력을 후속적으로 변경하는 단계를 더 포함한다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 방법은 비재량적 부하 및 공칭 부하를 충족시키기 위한 전력을 제공하기 위해 적어도 하나의 연료 전지의 전력 출력을 후속적으로 변경하는 단계를 더 포함한다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 상기 시설은 복수의 보조 부하 소비 시스템들을 포함하고, 각각의 보조 부하 소비 시스템은 대응하는 공칭 부하 설정 포인트 및 상기 공칭 부하 설정 포인트를 포함하는 대응하는 작동 부하 범위를 가지며; 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 조정하는 단계는, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들을 선택하는 단계; 상기 대응하는 공칭 부하 설정 포인트로부터 대응하는 작동 부하 범위 내의 다른 부하 값으로, 선택된 보조 부하 소비 시스템들 각각에 공급되는 전력을 조정하는 단계; 및 부하 값을 충족하도록, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로부터 전력을 전환하거나 또는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 전력을 제공하는 단계를 포함한다.
상기 실시예의 한 형태에서, 상기 제어 시스템은 복수의 부하 소비 시스템들 중 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성되고, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들을 선택하는 단계는, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하는 단계는, 상기 할당된 순위에 기초하여 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하는 단계를 포함한다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 보조 부하 소비 시스템들은 조명, 환기, 에어 컨디셔닝, 난방 및/또는 냉방, 전기 온수 저장, 냉동, 또는 보조 부하 소비 시스템으로서 연결된 배터리로 작동되는 디바이스를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 시스템들이다. 배터리로 작동되는 디바이스의 예로는 종종 보조 부하로 연결되지만 예를 들어, 전원이 차단되는 경우에도 배터리로 계속 작동할 수 있는 랩톱이 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 복수의 보조 부하 소비 시스템들의 각각의 보조 부하 소비 시스템은 하나 이상의 서브시스템들, 서브컴포넌트들, 또는 서브유닛들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 공급되는 전력을 조정하는 단계는 복수의 보조 부하 소비 시스템들 중 특정 보조 부하 소비 시스템의 하나 이상의 서브시스템들, 서브컴포넌트들, 또는 서브유닛들로 공급되는 전력을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 부하 소비 시스템이 에어 컨디셔닝 시스템인 실시예에서, 에어 컨디셔닝 시스템은 각각 개별적으로 제어가능한 복수의 에어 컨디셔닝 유닛을 포함할 수 있다. 에어 컨디셔닝 시스템에 공급되는 전력을 조절하는 단계는 복수의 에어 컨디셔닝 유닛들의 서브세트에 공급되는 전력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 에어 컨디셔닝 유닛(들)의 작동이 변경되지 않은 상태로 유지되는 동안 하나 이상의 에어 컨디셔닝 유닛들이 선택적으로 꺼질 수 있다(또는 그 전력이 감소될 수 있음). 보조 부하 소비 시스템이 조명 시스템인 실시예에서, 조명 시스템은 각각 개별적으로 제어가능한 복수의 조명들 또는 조명들의 그룹을 포함할 수 있다. 조명 시스템에 공급되는 전력을 조절하는 단계는 복수의 조명들 또는 조명들의 그룹의 서브세트에 공급되는 전력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 제어 시스템은 보조 부하 소비 시스템의 상태에 기초하여 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 추가로 구성된다. 상태는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 보조 부하 소비 시스템이 설정 포인트에서 또는 그 근처에서 현재 작동하고 있는지에 관한 정보, 설정 포인트로부터 보조 부하 소비 시스템의 편차와 관련된 정보, 비재량적 부하의 증가 또는 감소의 크기 및/또는 속도와 관련된 정보, 그리고 비재량적 부하에 예정된 또는 예측된 변경이 있는지 여부와 관련된 정보이다. 비재량적 부하 요건의 예측된 변화는 머신 러닝 모델을 사용하는 것을 포함하여 임의의 적절한 수단에 의해 예측될 수 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 대안적인 실시예에서, 제어 시스템은 각각의 부하 소비 시스템과 연관된 유효 시간 파라미터에 기초하여 복수의 부하 소비 시스템들의 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 추가로 구성된다. 유효 시간 파라미터는 특정 보조 부하 소비 시스템에 공급되는 전력의 변경의 결과인 실질적인 효과를 관찰하는데 필요한 시간으로 정의된다. 바람직하게는, 제어 시스템은 가장 높은 관련 유효 시간 파라미터로부터 가장 낮은 관련 유효 시간 파라미터의 순서로 각 부하 소비 시스템에 순위를 할당한다. 가장 높은 관련 유효 시간 파라미터를 갖는 보조 부하 소비 시스템은 해당 시스템에 공급되는 전력의 변화와 전력의 이러한 변화에 기인하는 실질적으로 관찰가능한 효과 사이에 가장 큰 상대적 시간 간격이 있는 시스템에 해당한다. 따라서, 유효 시간 파라미터는 특정 시스템의 지연 시간을 나타낸다. 이러한 양상과 관련하여, 숙련된 독자라면 가장 높은 할당 순위를 갖는 보조 부하 소비 시스템이 일반적으로 가장 큰 예비 전력 용량을 갖는 시스템에 대응한다는 것을 이해할 것이다. 즉, 가장 높은 순위의 보조 시스템은 가장 긴 시간 동안 가장 큰 전원 변동에 대처할 수 있는 시스템이다.
유효 시간 파라미터는 특정 보조 부하 소비 시스템에 공급되는 전력 변화의 함수이며, 각 보조 부하 소비 시스템에 대해 제어 시스템에 의해서 미리 결정될 수 있다. 또한, 특정 보조 부하 소비 시스템에 대한 유효 시간 파라미터는 특정 부하 소비 시스템에 공급되는 전력의 변화에 대한 특정 부하 소비 시스템의 허용 오차에 대한 척도로서 간주될 수 있다. 각 보조 부하 소비 시스템에 대한 유효 시간 파라미터는 개별 시간 간격들에서 및/또는 비재량적 부하 요건의 변화와 같은 상태 변경이 발생할 때 제어 시스템에 의해 지속적으로 결정될 수 있다.
보조 부하 소비 시스템이 에어 컨디셔닝 시스템인 실시예에서, 유효 시간 파라미터는, 에어 컨디셔닝 시스템에 공급되는 전력에 변화가 발생한 이후에 시설 내에서 온도의 실질적인 변화를 관찰하는데 필요한 시간에 해당한다.보조 부하 소비 시스템이 냉각 시스템인 실시예에서, 유효 시간 파라미터는 냉각 시스템에 공급되는 전력의 변화가 발생한 이후에 냉각 시스템 내의 온도의 실질적인 변화를 관찰하는데 필요한 시간에 해당한다. 보조 부하 소비 시스템이 조명 시스템인 실시예에서, 유효 시간 파라미터는 조명 시스템에 공급되는 전력의 변화가 발생한 이후에 조명 조건(condition)의 실질적인 변화를 관찰하는데 필요한 시간에 해당한다. 당업자는 예를 들어, 에어 컨디셔닝 시스템 또는 냉동 시스템 각각의 유효 시간 파라미터와 비교할 때 조명 시스템이 상대적으로 더 낮은 유효 시간 파라미터를 가질 것임을 이해할 것이다. 당업자는 임의의 특정 보조 부하 소비 시스템에 공급되는 전력의 변화로 인해 발생하는 특정한 실질적으로 관찰가능한 효과를 더 이해할 수 있을 것이다.
제 1 또는 제 2 양상의 또 다른 대안적인 실시예에서, 제어 시스템은 부하 소비 시스템 각각과 연관된 유효 시간 파라미터 및 사용자 정의 순위의 조합에 기초하여, 복수의 부하 소비 시스템들의 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 예를 들어, 사용자는 순위를 매길 하나 이상의 부하 소비 시스템들을 선택할 수 있고, 제어 시스템은 나머지 하나 이상의 부하 소비 시스템들 각각과 관련된 유효 시간 파라미터에 기초하여, 상기 나머지 하나 이상의 부하 소비 시스템들의 순위를 정할 수 있다. 유리하게는, 본 실시예에서, 사용자는 선택적으로 순위가 매겨진 하나 이상의 부하 소비 시스템들 각각의 연관된 유효 시간에 관계없이, 특정 순위 체계에 기초하여 하나 이상의 부하 소비 시스템에 선택적으로 순위를 매길 수 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 또 다른 대안적인 실시예에서, 제어 시스템은 각각의 부하 소비 시스템과 연관된 유효 시간 파라미터 및 각각의 부하 소비 시스템과 관련된 미리결정된 허용가능한 편차 파라미터에 기초하여 복수의 부하 소비 시스템들의 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성된다. 미리결정된 허용가능한 편차 파라미터는 미리결정된 설정 포인트로부터 특정 보조 시스템의 상태 조건의 허용가능한 변화에 해당하며, 이러한 상태의 변화는 특정 보조 시스템에 인가되는 전력의 변화에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 보조 시스템이 에어 컨디셔닝 시스템인 실시예에서, 미리결정된 허용가능한 편차 파라미터는 미리결정된 설정 포인트 온도로부터 허용가능한 온도 변화에 해당할 수 있다. 이러한 실시예에서, 편차 파라미터는 미리결정된 설정 포인트로부터 상태 조건의 허용가능한 변화의 상한 및 하한을 제공할 수 있다. 상한과 하한은 값이 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 예를 들어, 보조 시스템이 에어 컨디셔닝 시스템인 실시예에서, 미리 결정된 편차 파라미터는 +5 ℃의 온도 변화에 대응하는 상한 및 -3 ℃의 온도 변화에 대응하는 하한을 제공할 수 있다. 유리하게는, 이러한 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 부하 소비 시스템은 가장 높은 관련 유효 시간 파라미터 및 가장 큰 예비 전력 용량으로부터 가장 낮은 관련 유효 시간 파라미터 및 가장 낮은 예비 전력 용량의 순서로 효과적으로 순위가 매겨진다.
제 1 또는 제 2 양상의 또 다른 대안적인 실시예에서, 제어 시스템은 비재량적 부하 요건의 변화에 기인하는 각각의 보조 부하 소비 시스템에 대한 상태 조건의 바람직한 변화에 기초하여, 복수의 부하 소비 시스템들에서 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 부하 소비 시스템들은 비재량적 부하 요건의 변경으로 인한, 상태 조건의 가장 선호되는 변화로부터 상태 조건의 가장 선호되지 않는 변화까지 순위가 매겨진다. 예를 들어, 보조 부하 소비 시스템이 조명 시스템인 실시예에서, 비재량적 부하 요건이 감소하는 경우, 조명 시스템은 다른 보조 부하 소비 시스템과 비교하여, 상대적으로 높은 순위를 가질 수 있다. 하지만, 비재량적 부하 요건이 증가하는 경우, 조명 시스템은 다른 보조 부하 소비 시스템과 비교하여, 상대적으로 낮은 순위를 가질 수 있다. 이 실시예에서, 비재량적 부하 요구사항이 감소하는 경우, 조명 시스템에 공급되는 전력은 비재량적 부하 요건의 변화를 충족시키기 위해 상응하게 증가할 것이므로, 조명 밝기가 증가한다. 비재량적 부하 요건이 증가하면, 비재량적 부하 요건의 변화를 충족시키기 위해 조명 시스템에 공급되는 전력이 상응하게 감소할 것이므로 조명 밝기가 감소한다. 사용자는 밝기의 증가가 밝기의 감소보다 더 선호된다고 생각할 수 있으며, 따라서 비재량적 부하 요건이 감소하는 경우 다른 부하 소비 시스템에 비하여 조명 시스템의 순위를 상대적으로 높게 지정할 수 있고, 비재량적 부하 요건이 증가하는 경우 다른 부하 소비 시스템에 비하여 조명 시스템의 순위를 상대적으로 낮게 지정할 수 있다. 조명 밝기의 변화는 조명 시스템의 하나 이상의 조명들 또는 조명 그룹에 공급되는 전력을 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어 선택된 조명 또는 조명 그룹은 조명 시스템에 대한 전체 전력을 줄이기 위해 스위치 오프될 수 있다.
제 1 또는 제 2 양상의 또 다른 대안적인 실시예에서, 제어 시스템은 다음 중 하나 이상에 기초하여 복수의 부하 소비 시스템에서 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성된다: 적어도 하나의 연료 전지에 의해 공급되는 총 전력에 영향을 미치는 보조 부하 소비 시스템의 용량; 보조 부하 소비 시스템의 전력 변동에 대한 허용 오차; 비재량적 부하 요건의 변화를 지속적으로 충족시키는 보조 부하 소비 시스템의 능력; 보조 부하 소비 시스템의 미리결정된 타겟 설정 포인트로부터 보조 부하 소비 시스템의 편차; 및 사용자 정의 순위.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 비재량적 부하 요건을 충족시키기 위한 전력은 배터리, 및/또는 커패시터, 및/또는 슈퍼커패시터, 및/또는 지방자치단체의 전력망(municipal power grid) 중 하나 이상에 의해 제공된다. 유리하게는, 본 발명의 방법은 종래 기술의 방법보다 더 작은 배터리 및/또는 커패시터 및/또는 슈퍼커패시터의 사용을 허용한다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 비재량적 부하 요건을 충족시키기 위한 전력은 배터리, 및/또는 커패시터, 및/또는 슈퍼커패시터, 및/또는 지방자치단체의 전력망 중 하나 이상에 의해서 제공되지 않는다.
제 1 또는 제 2 양상의 실시예에서, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템으로의 전력은 배터리, 및/또는 커패시터, 및/또는 슈퍼커패시터, 및/또는 지방자치단체의 전력망 중 하나 이상에 의해서 제공되지 않는다.
본 발명의 제 3 양상에서, 시설을 위한 연료 전지 전력 시스템이 제공되며, 상기 연료 전지 전력 시스템은, 기본 시스템의 비재량적 부하 요건을 충족하도록 시설의 기본 시스템에 전력을 제공하고, 상기 시설의 하나 이상의 보조 시스템들에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및 기본 시스템의 비재량적 부하 요건들을 모니터링하고, 기본 시스템 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은 또한, 비재량적 부하 요건의 변화를 검출하고; 비재량적 부하 요건의 변화를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 조정하고; 그리고 변화된 비재량적 부하 요건을 충족하도록 기본 시스템에 전력을 제공하도록 구성된다.
본 발명의 제 4 양상에서, 데이터 센터 시설을 위한 연료 전지 전력 시스템이 제공되며, 상기 연료 전지 전력 시스템은, 서버 랙의 비재량적 부하 요건을 충족하도록 데이터 센터 시설의 상기 서버 랙에 전력을 제공하고, 상기 데이터 센터 시설의 하나 이상의 보조 시스템들에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및 서버 랙의 비재량적 부하 요건들을 모니터링하고, 서버 랙 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은 또한, 비재량적 부하 요건의 변화를 검출하고; 비재량적 부하 요건의 변화를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 조정하고; 그리고 변화된 비재량적 부하 요건을 충족하도록 서버 랙에 전력을 제공하도록 구성된다.
제 3 또는 제 4 양상의 실시예에서, 적어도 하나의 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지이다.
제 3 또는 제 4 양상의 실시예에서, 상기 방법은 비재량적 부하 및 공칭 부하를 충족시키기 위한 전력을 제공하기 위해 적어도 하나의 연료 전지의 전력 출력을 후속적으로 변경하는 단계를 더 포함한다.
제 3 또는 제 4 양상의 실시예에서, 상기 제어 시스템은 또한, 복수의 보조 부하 소비 시스템들로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들을 선택하고, 각각의 보조 부하 소비 시스템은 대응하는 공칭 부하 설정 포인트 및 상기 공칭 부하 설정 포인트을 포함하는 대응하는 작동 부하 범위를 가지며; 대응하는 공칭 부하 설정 포인트로부터 대응하는 작동 부하 범위 내의 다른 부하 값으로, 선택된 보조 부하 소비 시스템들 각각에 공급되는 전력을 조정하고; 부하 값을 충족하도록, 하나 이상의 보조 부하 소비 서비스로부터 전력을 전환하거나 하나 이상의 보조 부하 소비 서비스에 전력을 제공하도록 구성된다.
제 3 또는 제 4 양상의 실시예에서, 복수의 보조 부하 소비 시스템들의 각각의 보조 부하 소비 시스템은 하나 이상의 서브시스템들, 서브컴포넌트들, 또는 서브유닛들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 공급되는 전력을 조정하는 단계는 복수의 보조 부하 소비 시스템들 중 특정 보조 부하 소비 시스템의 하나 이상의 서브시스템들, 서브컴포넌트들, 또는 서브유닛들로 공급되는 전력을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 부하 소비 시스템이 에어 컨디셔닝 시스템인 실시예에서, 에어 컨디셔닝 시스템은 각각 개별적으로 제어가능한 복수의 에어 컨디셔닝 유닛을 포함할 수 있다. 에어 컨디셔닝 시스템에 공급되는 전력을 조절하는 단계는 복수의 에어 컨디셔닝 유닛들의 서브세트에 공급되는 전력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 에어 컨디셔닝 유닛(들)의 작동이 변경되지 않은 상태로 유지되는 동안 하나 이상의 에어 컨디셔닝 유닛들이 선택적으로 꺼질 수 있다(또는 그 전력이 감소될 수 있음). 보조 부하 소비 시스템이 조명 시스템인 실시예에서, 조명 시스템은 각각 개별적으로 제어가능한 복수의 조명들 또는 조명들의 그룹을 포함할 수 있다. 조명 시스템에 공급되는 전력을 조절하는 단계는 복수의 조명들 또는 조명들의 그룹의 서브세트에 공급되는 전력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 실시예의 한 형태에서, 제어 시스템은 공칭 부하를 충족시키기에 충분한 전력을 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 제공하기 위해 연료 전지의 전력 출력을 변경하도록 추가로 구성된다.
전술한 실시예의 한 형태에서, 제어 시스템은 복수의 부하 소비 시스템들에서 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 추가로 구성되고, 제어 시스템은 할당된 순위에 기초하여 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하도록 구성된다.
전술한 실시예의 한 형태에서, 제어 시스템은 보조 부하 소비 시스템의 상태에 기초하여 보조 부하 소비 시스템 각각에 순위를 할당하도록 추가로 구성된다. 상태는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 보조 부하 소비 시스템이 설정 포인트에서 또는 그 근처에서 현재 작동하고 있는지에 관한 정보, 설정 포인트로부터 보조 부하 소비 시스템의 편차와 관련된 정보, 비재량적 부하의 증가 또는 감소의 크기 및/또는 속도와 관련된 정보, 그리고 비재량적 부하에 예정된 또는 예측된 변경이 있는지 여부와 관련된 정보이다. 비재량적 부하 요건의 예측된 변화는 머신 러닝 모델을 사용하는 것을 포함하여 임의의 적절한 수단에 의해 예측될 수 있다.
전술한 실시예의 대안적인 형태에서, 제어 시스템은 각각의 부하 소비 시스템과 연관된 유효 시간 파라미터에 기초하여 복수의 부하 소비 시스템들에서 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 더 구성된다. 바람직하게는, 제어 시스템은 가장 높은 관련 유효 시간 파라미터로부터 가장 낮은 관련 유효 시간 파라미터의 순서로 각 부하 소비 시스템에 순위를 할당한다.
제 3 또는 제 4 양상의 대안적인 실시예에서, 제어 시스템은 제 1 및 제 2 양상과 관련하여 위에서 설명된 임의의 방식으로 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제 5 양상에서, 본 발명의 제 3 양상와 관련하여 설명된 연료 전지 전력 시스템을 포함하는 시설이 제공된다.
본 발명의 제 6 양상에서, 본 발명의 제 4 양상와 관련하여 설명된 연료 전지 전력 시스템을 포함하는 데이터 센터 시설이 제공되며, 데이터 센터 시설은 적어도: 하나 이상의 서버들을 포함하고 비재량적 부하 요건을 갖는 서버 랙; 및 공칭 부하를 갖는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 포함한다.
본 발명의 제 6 양상의 실시예에서, 서버 랙의 비재량적 부하는 적어도 서버들의 계산 능력 및 서버들 및/또는 서버 랙의 내부 냉각에 의해 요구되는 부하를 포함한다.
제 5 또는 제 6 양상의 실시예에서, 적어도 하나의 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지이다.
본 발명의 제 5 또는 제 6 양상의 실시예에서, 보조 부하 소비 시스템은 조명, 환기 및 에어 컨디셔닝, 난방 및/또는 냉방, 전기 온수 저장, 냉장 또는 배터리 작동 디바이스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 시스템이며, 배터리 작동 디바이스는 보조 부하 소비 시스템으로 연결되지만 그 부하는 배터리에 의해 보충될 수 있다.
제 5 또는 제 6 양상의 실시예에서, 비재량적 부하 요건을 충족시키기 위한 전력은 배터리, 및/또는 커패시터, 및/또는 슈퍼커패시터, 및/또는 지방자치단체의 전력망 중 하나 이상에 의해 제공된다. 유리하게는, 본 발명의 방법은 종래 기술의 방법보다 더 작은 배터리 및/또는 커패시터 및/또는 슈퍼커패시터의 사용을 허용한다.
본 발명의 제 5 또는 제 6 양상의 실시예에서, 비재량적 부하 요건을 충족시키기 위한 전력은 배터리, 및/또는 커패시터, 및/또는 지방자치단체의 전력망 중 하나 이상에 의해 제공되지 않는다.
본 발명의 제 5 또는 제 6 양상의 실시예에서, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 대한 전력은 배터리, 및/또는 커패시터, 및/또는 지방자치단체의 전력망 중 하나 이상에 의해 제공되지 않는다.
본 발명의 추가적인 양상들 및 이전 단락에서 설명된 양상들0의 추가 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 예시로서 제공된 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 서버 시설을 위한 연료 전지 전력 관리 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 서버 시설을 위한 연료 전지 전력 관리 시스템의 개략도이다.
본 발명은 연료 전지에 의해 구동되는 시설의 전력 요건을 관리하는 방법, 시설을 위한 연료 전지 전력 시스템, 및 이러한 연료 전지 전력 시스템을 포함하는 시설에 관한 것이다. 시설은 연료 전지로 구동되는 기본(primary) 시스템과 보조 시스템을 모두 포함한다. 연료 전지는 개별 연료 전지, 연료 전지 스택, 연료 전지 생성기, 또는 다중 연료 전지 및/또는 연료 전지 스택 및/또는 연료 전지 생성기의 형태일 수 있다.
기본 시스템의 특성은 시설의 유형에 따라 다르다. 그럼에도 불구하고 "기본 시스템"이라는 용어는 일반적으로 시설이 기능하는데 있어 매우 중요한, 충족되어야만 하는 전기 부하를 갖는 이들 서비스들을 지칭하도록 의도된다(예컨대, 비재량적 전기 부하를 갖는 시스템). 기본 시스템은 중요(critical) 시스템이라 지칭되기도 한다. 시설 및 대응하는 기본 시스템의 일례들은 다음을 포함할 수 있다: 통신 시스템을 포함하는 통신 시설, 하나 이상의 서버를 갖는 서버 랙을 적어도 포함하는데이터 센터 시설; 중요한 생명 유지 시스템을 갖춘 병원; 또는 비재량적 부하 요건을 갖는 임의의 독립형(off-grid) 어플리케이션(예: 독립형 집 또는 농장). 당업자는 여기에 설명된 발명이 다양한 다른 시설들 및 기본 시스템들에 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
"보조(ancillary) 부하 소비 시스템"이라는 용어는 시설의 동작에 중요하지 않거나 덜 중요한 시스템 또는 수요를 충족하는데 있어 단기 지연 또는 부족분이 허용되는 시스템을 지칭하도록 의도된다. 즉, 보조 부하 소비 시스템은 시설의 동작을 지원하지만 시설의 기능에 중요하지 않은 시스템이거나 또는 단기간의 전력 지연이 있어도 수용가능하게 작동할 수 있는 시스템이다. 보조 부하 소비 서비스는 또한 제2의 시스템 또는 중요하지 않은 시스템이라 지칭될 수 있다. 당업자는 "보조 부하 소비 시스템"이라는 용어가 광범위한 시스템을 포괄하며 그리고 적어도 다음을 포함할 수 있음을 이해할 것이다: 난방 및/또는 냉방 시스템, 에어 컨디셔닝 시스템, 환기 시스템, 조명 시스템, 전기 온수 저장 시스템, 냉동 시스템 등.
"공칭 부하(nominal load)"라는 용어는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 의해 인출되는 부하를 지칭하도록 의도된다. 공칭 부하는 예를 들어, 보조 시스템이 일정한 부하 요건으로 작동하는 경우 기준 부하(baseline load)일 수 있다. 대안적으로, 공칭 부하는 측정된 파라미터에 대한 응답과 같이, 시간이 지남에 따라 변하는 부하 요건과 함께 보조 시스템이 작동하는 경우와 같이 가변적이거나 변동하는 부하일 수 있다. 예를 들어, 조명 시스템은 일반적으로 일정한 출력으로 작동하므로 일정한 부하로 작동한다. 반면에, 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 소비되는 전력은 공기 설정 온도와 주변 공기 온도 사이의 차이에 따라 달라질 수 있다(즉, 공기 온도가 설정 포인트 온도에 가까울 때(냉각이 덜 필요함)와 비교하여, 공기 온도가 설정 온도보다 훨씬 높을 때 빠르게 공기를 냉각시키기 위하여 에어 컨디셔닝 유닛에 의해 더 많은 전력이 소비된다). 상기에 더하여, 공칭 부하는 평균 시간당 부하와 같은, 하나 이상의 보조 시스템들에 의해 요구되는 평균 부하일 수 있다.
본 발명은 일부 경우에 (연료 전지 스택 또는 연료 전지 발전기의 형태일 수 있는) 연료 전지에 대한 연료/증기의 흐름 제어의 응답 시간이 비재량적 전기 부하의 과도기적, 갑작스러운 또는 예기치 않은 변화를 처리하기에 불충분하다는 인식에서 비롯된 것이다. 이전에 논의된 바와 같이, 부하의 이러한 변화를 충족하지 못하면 연료 전지가 손상될 수 있고 및/또는 전력 공급 시스템의 붕괴를 초래하거나 또는 더 낮은 공칭 연료 이용률 및 따라서 더 낮은 효율에서 연료 전지의 강제 동작을 초래할 수 있다.
전형적으로 연료 전지는 정상 상태 또는 부하 추종(load following)일 수 있는 전력 설정 포인트에 의해 제어된다. 부하 추종 상황에서, 비재량적 부하의 증가 또는 감소는 알려져 있거나 예측가능하므로, 부하의 일시적인 변화의 경우와 같이 예기치 않거나 갑작스러운 것이 아니다. 그러한 경우, 연료 전지는 비재량적 부하의 예상된 변화를 충족시키기 위해 좁은 대역 내에서 에너지 생성이 증가하거나 감소할 수 있는 이용률에서 동작하거나, 및/또는 비재량적 부하의 예상된 변화에 앞서서 연료 전지에 대한 연료 공급이 그에 따라 증가하거나 감소한다. 2가지 경우들 모두에서, 연료 전지의 에너지 생성의 변화는 응답형이기보다는, 예측되는 부하 변화를 예상한 것이다. 그럼에도 불구하고, 일부 경우에서, 예상되거나 예측가능한 변화에 응답하여, 이러한 변화를 충족시키기에 충분한 속도로 연료 전지로부터의 에너지 생성을 변경하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 예를 들어, 부하의 예상되는 단계적 변화는 또한 본 발명에 따른 부하 균형을 필요로 할 수 있다.
상기를 감안할 때, 비재량적 전기 부하의 일시적인, 갑작스러운 또는 예상치 못한 증가가 있는 경우, 연료 전지 또는 연료 전지 스택은 그 증가된 수요를 충족하기에 충분한 시간 내에 전기 생성을 증가시킬 수 없는 것이 일반적이다.
종래 기술의 접근법, 특히 맥나이트 등(배경 섹션에서 논의됨)에서 채택된 접근법과 달리, 본 발명자들은 비재량적 부하를 갖는 기본 시스템을 지정하는 제어 시스템을 제안하며 그리고 비재량적 부하의 변화들은 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 의해 요구되는 부하를 변경함으로써, 충족될 수 있다. 이러한 접근 방식은 연료 전지 또는 연료 전지 스택에서 기본 시스템용 연료 전지에 요청된 전력 수요를 평활화한다. 이러한 방식으로 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템은 조정가능한 재량적 부하로서 동작하며 이는 가령, 비재량적 부하의 일시적인, 갑작스러운 또는 예기치 않은 변화에 대한 응답하여, 기본 시스템의 비재량적 부하가 충족됨을 보장하도록 변경될 수 있다. 이러한 구성의 장점은 기본 시스템의 동작이 비재량적 부하의 이러한 일시적인, 예상치 못한 또는 갑작스러운 변화에 영향을 받지 않는다는 점이며, 예컨대, 기본 시스템의 성능이 저하되거나 손상되지 않는다. 또 다른 장점은 연료전지의 발전이 더 효율적이라는 점이며, 연료 전지의 전력 출력이 지속적으로 조절되면 효율이 떨어질 수 있다.
다양한 형태에서, 제어 시스템은 필요에 따라 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 또는 그로부터 전력을 전환함으로써 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 변경한다. 일 형태에서, 이것은 보조 부하에 대한 전력의 부족 공급/과도 공급을 야기한다. 다른 형태에서, 제어 시스템은 그 보조 부하 소비 시스템에 대한 설정 포인트 값을 조정할 수 있고, 그 다음 새로운 설정 포인트 값을 충족시키기 위해 전력의 증가/감소를 제공할 수 있다. 일 예에서, 비재량적 부하의 일시적인 증가에 응답하여, 제어 시스템은 비재량적 부하의 일시적인 증가를 충족시키기 위해 에어 컨디셔닝 시스템으로부터 에너지를 전환할 수 있다. 이것은 에어 컨디셔닝 시스템으로의 전력이 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 요구되는 부하를 충족하기에 불충분하게 만든다. 다른 예에서, 비재량적 부하의 일시적인 증가에 응답하여, 제어 시스템은 예를 들어, 설정 포인트 온도를 증가시킴으로써 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 요건을 감소시킬 수 있다. 이것은 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 요구되는 전기 부하를 감소시키며, 대신에 시스템 내에서 이러한 에너지를 사용하여 기본 시스템의 비재량적 부하 요건을 충족시킬 수 있다. 이와 반대로, 비재량적 부하의 일시적인 감소에 응답하여, 제어 시스템은 가령, 설정 포인트 온도를 낮추는 것과 같이, 에어 컨디셔닝 시스템의 냉각 요건을 증가시킬 수 있다. 이것은 에어 컨디셔닝 시스템에 의해 요구되는 전기 부하를 증가시키고 따라서, 비재량적 부하의 감소에 의해 이용가능한 초과 에너지를 소비한다. 이들 2개의 경우들 모두에서, 연료 전지 또는 연료 전지 스택은 동일한 출력으로 계속 동작한다. 다음이 이해될 것인바, 연료 전지에 의해 보여지는 부하의 변화를 평활화하기 위해 보조 시스템으로부터 이용가능한 전력, 및 보조 시스템으로부터 이용가능한 전력을 전환하는데 걸리는 시간은, 보조 시스템들 사이에서 변할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기는 부하의 일시적인 변화에 대한 응답이 적절한 속도로 평활화됨을 보장하기 위하여, 적절한 보조 시스템을 선택하도록 구성된다. 일부 경우, 요구되는 시간 프레임 내에서 비재량적 부하를 충족시키기 위해 적절한 전력이 이용가능함을 보장하도록, 하나 이상의 보조 시스템들로의 전력을 즉시 차단해야 할 수도 있다.
에어 컨디셔닝, 냉각, 및 가열/냉각 시스템은 비재량적 부하의 일시적인 변화로 인하여 에너지를 전환하거나 추가 에너지를 제공하는데 특히나 유용한 보조 부하 소비 시스템이다. 이것은, 이러한 시스템들 중 하나에 공급되는 전력의 변경으로 인한 온도 변화에 대한 지연 시간(또는 응답 시간)이, 비재량적 부하의 일시적 변화에 필요한 응답 시간 및 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 에너지 출력을 증가시키거나 감소시키기 위한 응답 시간 보다 훨씬 크기 때문이다. 따라서, 에너지가 전환될 수 있는바 예를 들어, 공기 온도에 대한 실질적이고 즉각적인 영향 없이, 비재량적 부하의 일시적인 증가를 처리하기 위해, 에어 컨디셔닝 시스템으로부터 에너지가 전환될 수 있다. 공기 온도를 유지하는 것이 중요한 경우, 공기 온도가 실질적으로 변하기 전에 에어 컨디셔닝 시스템이 공기 온도를 유지할 수 있음을 보장하도록, 연료 전지 또는 연료 전지 스택에서 생성된 에너지가 증가될 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명한다.
일 실시예에서, 비재량적 부하 요건을 갖는 하나 이상의 서버를 포함하는 서버 랙을 갖는 데이터 센터가 제공된다. 데이터 센터는 평소보다 많은 온라인 트래픽으로 인해 프로세싱 능력의 예상치 못한 증가를 경험한다. 결과적으로, 비재량적 부하 요건이 일시적으로 증가한다. 서버 랙의 작동을 유지하기 위하여, 부하의 갑작스러운 증가에 대응할 수 있는 추가 전력이 필요하다. 연료 전지의 응답 시간은 요구되는 출력 증가를 제공하기에는 일반적으로 너무 느리다. 상기 시스템은 제어기를 포함하며, 제어기는 비재량적 부하 요건의 변화를 검출하고, 그리고 비재량적 부하 요건을 충족하기 위해 보조 시스템으로부터 전력을 전환하도록 구성된다. 제어기는 보조 시스템으로부터 부하를 직접 전환할 수 있으며, 이 경우, 해당 보조 시스템의 부하 요건이 충족되지 않으므로, 결과적으로 해당 보조 시스템에 부하가 덜 걸린다; 제어기는 보조 시스템을 비활성화할 수 있으며; 또는 제어기는 하나 이상의 보조 서비스들의 공칭 부하 또는 기준 부하 설정 포인트를 조정하여 해당 보조 서비스의 부하 요건을 감소시킬 수 있으며 그리고 증가된 비재량적 부하 요건을 필요한 응답 시간 내에서 충족하기 위해 추가 전력을 사용할 수 있다. 하나의 예시적인 예에서, 보조 부하 소비 시스템은 에어 컨디셔닝 시스템이고, 제어기는 에어 컨디셔닝 시스템의 공기 온도 설정 포인트을 증가시켜 냉각 요건을 감소시킨다. 이는 에어 컨디셔닝 시스템을 구동하는데 필요한 부하를 감소시키며 그리고 증가된 비재량적 부하를 충족하기 위해 에너지를 확보한다. 특히, 비재량적 부하의 증가를 수용하기 위하여, 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로부터의 에너지 생성의 증가가 필요하지 않다. 비재량적 부하가 장시간 동안 유지되면, 공기 온도는 새로운 설정 포인트 값으로 천천히 증가할 것이다. 그러나 앞서 논의된 바와 같이, 이러한 공기 온도의 증가는 훨씬 느린 응답 시간에 걸쳐 발생한다. 필요한 경우, 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로부터의 에너지 생성을 증가시켜 시스템에 추가 에너지를 제공할 수 있으며, 따라서 에어 컨디셔닝 시스템의 공칭 부하 요건이 충족될 수 있고 및/또는 제어기는 에어 컨디셔닝 시스템을 원래의 온도 설정 포인트로 되돌릴 수 있다. 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로부터 에너지 생산을 증가시키기 위한 응답 시간은 몇 분 정도이므로, 일시적인 부하 증가를 충족시키기 위해 연료 전지의 전력 생산을 증가시키는 것은 용이하지 않다. 하지만, 이러한 시간 프레임 동안, 연료 전지의 전력 생산을 증가시키면, 공기 온도가 원래 설정 포인트 값으로부터 벗어나기 전에, 에어 컨디셔닝 시스템에 추가 에너지를 제공할 수 있다.
이와 반대로, 비재량적 부하의 일시적인 감소가 있는 경우, 초과 에너지가 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템으로 직접 전환될 수 있으며, 이는 상기 시스템을 과부하인 상태로 만들 수 있고, 비활성 보조 부하 소비 서비스를 활성화할 수 있고, 또는 그 보조 서비스에 의해 요구되는 부하를 증가시키도록 보조 서비스의 설정 포인트를 변경하게 할 수 있다. 필요한 경우 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로부터의 에너지 생성을 감소시킬 수 있다. 에어 컨디셔닝 시스템의 경우, 온도 설정 포인트가 낮아질 수 있으며, 이는 에어 컨디셔닝 시스템에 필요한 부하를 증가시킬 수 있다. 이것의 효과는 공기가 원래 설정 포인트보다 낮은 온도로 냉각된다는 것이다. 당업자는 임의의 특정 보조 시스템의 선택 및 추가 전력이 해당 보조 시스템에 공급되는 방식이, 부하의 일시적인 감소의 특성에 의존한다는 점을 이해할 것이다. 필요한 경우, 예를 들어 비재량적 부하의 감소가 장기간에 걸쳐 발생하는 경우, 연료 전지 또는 연료 전지 스택으로부터의 에너지 생성을 감소시킬 수 있다.
그 각각이 상이한 응답 시간 및 상이한 부하 요건을 갖는 다양한 보조 부하 소비 시스템들이 있다는 것을 이해할 것이다. 이를 감안할 때, 실시예에서, 제어기는 또한 다음과 같이 구성된다: 제어기는 보조 부하 소비 시스템들의 순위를 정하고, 비재량적 부하 요건의 변화를 검출하면 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하고, 그리고 상기 순위에 따라 하나 이상의 보조 서비스들의 동작 설정 포인트를 조정하도록 구성된다. 일례로서, 보조 부하 소비 시스템은 조명 시스템, 환기 시스템, 에어 컨디셔닝 시스템, 및 온수 시스템과 같은 난방 시스템을 적어도 포함한다. 제어기는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템 각각의 상태, 예를 들어 해당 시스템이 설정 포인트에서 또는 설정 포인트 근처에서 현재 작동하는지 여부, 상기 시스템의 설정 포인트로부터 편차, 비재량적 부하의 증가 또는 감소 크기 및/또는 비재량적 부하에 예정된 또는 예측된 변경이 있는지 여부에 따라 이러한 보조 부하 소비 시스템 중 하나 이상의 설정 포인트를 변경하도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 비재량적 부하 요건에 약간의 변화가 있는 경우에는, 부하의 작은 변화를 쉽게 수용할 수 있는 시스템의 부하 요건을 변경함으로써 이를 최적으로 처리할 수 있다. 또는, 비재량적 부하 요건에 큰 변화가 있는 경우, 설정 포인트에서의 작은 변화가 부하의 큰 변화를 제공하는 시스템(예컨대, 에어 컨디셔닝 시스템)에 의해서 최적으로 처리될 수 있다.
본 발명은 상이한 기본 시스템 및 보조 부하 소비 시스템을 갖는 다양한 상이한 시설에 적용가능하지만, 이제 본 발명은 상기 시설이 다수의 서버 랙들을 포함하는 데이터 센터 시설인 바람직한 실시예와 관련하여 설명될 것이다.
도 1은 데이터 서버 시설을 위한 연료 전지 전력 관리 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 시스템에 전력을 제공하는 가스 공급 밸브(103)가 있는 연료 전지 스택(102), 전력 공급을 관리하도록 구성된 제어기(104), 비재량적 부하 요건을 갖는 데이터 서버 랙(106), 및 조명 시스템(108), 에어컨 시스템(110), 전기 온수 저장 시스템(112), 시스템에 연결된 배터리로 작동되는 랩탑 디바이스(114) 등을 포함하는 복수의 보조 시스템들을 포함한다. 제어기(104)는 적어도 데이터 서버 랙(106)의 비재량적 부하를 모니터링하고 그리고 데이터 서버 랙(106), 조명 시스템(108), 에어 컨디셔닝 시스템(110), 전기 온수 저장 시스템(112), 및 배터리로 작동되는 랩탑 디바이스(114)에 공급되는 전력의 양을 제어하도록 구성된다. 데이터 서버 랙(106)에 의해 요구되는 비재량적 부하에서 일시적인 증가가 있는 경우, 데이터 서버 랙(106)의 비재량적 부하의 일시적인 증가를 충족하기 위해 제어기(104)는 조명 시스템(108), 에어 컨디셔닝 시스템(110), 전기 온수 저장 시스템(112), 및 배터리로 작동되는 랩탑 디바이스(114) 중 하나 이상의 부하들을 감소시키도록 구성된다. 데이터 서버 랙(106)에 의해 요구되는 비재량적 부하에서 일시적인 감소가 있는 경우, 연료 전지에 의해 생성된 전력이 사용됨을 보장하기 위해, 제어기(104)는 조명 시스템(108), 에어 컨디셔닝 시스템(110), 전기 온수 저장 시스템(112), 및 배터리로 작동되는 랩탑 디바이스(114) 중 하나 이상의 부하들을 증가시키도록 구성된다. 부하의 일시적인 변화가 지속되는 경우, 제어기(104)는 연료 공급 밸브(103) 및/또는 증기 또는 공기 공급 밸브(미도시)를 조정하여 연료 전지 스택(102)에 의해 생성된 전력을 적절하게 증가 또는 감소시킬 수 있다.
도 1은 보조 시스템들의 부하들을 변경하는 제어기를 도시하지만, 대신에 제어기가 데이터 서버에 대한 전력 공급을 직접 제어할 수 있음을 이해할 것이다. 도 2는 연료 전지 전력 관리 시스템(200)의 다른 실시예에 대한 예시를 제공한다. 도 1의 시스템(10)과 같이, 도 2의 시스템(200)은 가스 공급 밸브(203)를 갖는 연료 전지 스택(202), 제어기(204), 비재량적 부하 요건을 갖는 데이터 서버 랙(206),그리고 조명 시스템(208), 에어 컨디셔닝 시스템(210), 전기 온수 저장 시스템(212), 및 시스템에 연결된 배터리로 작동되는 랩탑 디바이스(214)를 포함하는 복수의 보조 시스템들을 포함한다. 이러한 시스템에서, 제어기(204)는 적어도 연료 전지 스택(202)의 전력 출력 및 데이터 서버 랙(206)의 비재량적 부하 요건을 모니터링하고 그리고 데이터 서버 랙(206)이 요구하는 부하가 충족되는지를 보장하도록 데이터 서버 랙(206)에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성된다. 이에 기초하여, 제어기는 연료 전지 스택(202)에 의해 공급되는 전체 전력과 비재량적 전력 간의 차이인 재량적 부하(예를 들어, 보조 시스템들에 의해 인출된 전력)를 계산할 수 있다. 제어기(204)는 이러한 재량적 부하를 버퍼로서 취급하도록 구성되며, 상기 버퍼는 데이터 서버 랙(206)의 비재량적 부하 요건의 일시적인 증가가 있는 경우에 인출될 수 있다. 비재량적 부하 요건의 일시적인 증가가 있는 경우, 제어기(204)는 데이터 서버 랙(206)의 비재량적 부하 요건이 충족되는 것을 보장하기 위해 상기 버퍼로부터 전력을 전환하도록 구성된다. 대안적으로, 부하의 일시적인 감소의 경우, 제어기(206)는 추가 전력을 보조 시스템(208, 210, 212, 214) 중 하나 이상으로 전환한다. 부하의 일시적인 변화가 지속되면, 제어기(204)는 연료 공급 밸브(203) 및/또는 증기 또는 공기 공급 밸브(미도시)를 조정하여 연료 전지 스택(202)에 의해 생성된 전력을 적절하게 증가 또는 감소시킨다.
본 명세서에 개시되고 정의된 본 발명은 텍스트 또는 도면으로부터 언급되거나 명백한 개별 특징 중 둘 이상의 모든 대안적인 조합으로 확장된다는 것이 이해될 것이다. 이들 상이한 조합 모두는 본 발명의 다양한 대안적 양상을 구성한다.

Claims (24)

  1. 연료 전지에 의해 구동되는(powered) 시설의 전력 요건들을 관리하는 방법으로서, 상기 시설은,
    비재량적(non-discretional) 부하 요건을 갖는 기본 시스템(primary system), 상기 비재량적 부하 요건은 기본 시스템이 기능하는데 필요한 전기 부하들을 포함하고;
    공칭 부하(nominal load)를 갖는 하나 이상의 보조(ancillary) 부하 소비 시스템들, 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들은 상기 기본 시스템에 대해 독립적이고, 상기 공칭 부하는 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들의 기능과 관련된 전기 부하들을 포함하며;
    비재량적 부하 요건들을 충족하도록 기본 시스템에 전력을 제공하고 그리고 하나 이상의 보조 시스템들에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및
    비재량적 부하 요건들을 모니터링하고 기본 시스템 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고,
    상기 방법은,
    비재량적 부하 요건의 일시적인(transient) 증가를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 감소시키는 단계;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 기본 시스템으로 공급되는 전력을 증가시키는 단계;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 증가시키는 단계;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 기본 시스템으로 공급되는 전력을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 연료 전지에 의해 구동되는 데이터 센터 시설의 전력 요건들을 관리하는 방법으로서, 상기 데이터 센터 시설은,
    하나 이상의 서버들을 포함하고 비재량적 부하 요건을 갖는 서버 랙, 상기 비재량적 부하 요건은 서버 랙이 기능하는데 필요한 전기 부하들을 포함하고;
    공칭 부하를 갖는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들, 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들은 상기 서버 랙에 대해 독립적이고, 상기 공칭 부하는 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들의 기능과 관련된 전기 부하들을 포함하며;
    비재량적 부하 요건들을 충족하도록 서버 랙에 전력을 제공하고 그리고 하나 이상의 보조 시스템들에 전력을 제공하는 적어도 하나의 연료 전지; 및
    비재량적 부하 요건들을 모니터링하고 그리고 서버 랙 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고,
    상기 방법은,
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 감소시키는 단계;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 서버 랙으로 공급되는 전력을 증가시키는 단계;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 증가시키는 단계;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 서버 랙으로 공급되는 전력을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서버 랙의 비재량적 부하는, 상기 서버들의 연산 능력과 상기 서버들 및/또는 서버 랙의 내부 냉각에 필요한 부하를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 공칭 부하에서 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 전력을 제공하도록 연료 전지의 전력 출력을 후속으로 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시설은 복수의 보조 부하 소비 시스템들을 포함하고, 각각의 보조 부하 소비 시스템은 대응하는 공칭 부하 설정 포인트 및 상기 공칭 부하 설정 포인트를 포함하는 대응하는 작동 부하 범위를 가지며;
    상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 조정하는 단계는,
    하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들을 선택하는 단계;
    상기 대응하는 공칭 설정 포인트로부터 대응하는 작동 부하 범위 내의 다른 부하 값으로, 선택된 보조 부하 소비 시스템들 각각에 공급되는 전력을 조정하는 단계; 및
    업데이트된 공칭 부하를 충족하도록, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 전력을 공급하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 복수의 부하 소비 시스템들 중 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성되고,
    하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들을 선택하는 단계는, 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하는 단계는, 상기 할당된 순위에 기초하여 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 각각의 부하 소비 시스템과 연관된 유효 시간 파라미터에 기초하여 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 가장 높은 연관된 유효 시간 파라미터로부터 가장 낮은 연관된 유효 시간 파라미터까지의 순서로 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보조 부하 소비 시스템들은, 조명, 환기, 에어 컨디셔닝, 난방 및/또는 냉방, 전기 온수 저장, 냉동, 또는 보조 부하 소비 서비스들로서 연결된 배터리 작동 디바이스들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비재량적 부하 요건을 충족시키기 위한 전력은, 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터, 및 지방자치단체의 전력망(municipal power grid) 중 적어도 하나에 의해서 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력은 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터, 지방자치단체의 전력망 중 하나 이상에 의해서 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 시설을 위한 연료 전지 전력 시스템으로서, 상기 연료 전지 전력 시스템은,
    적어도 하나의 연료 전지, 상기 적어도 하나의 연료 전지는,
    기본 시스템의 비재량적 부하 요건을 충족하도록 시설의 기본 시스템에 전력을 제공하고, 상기 비재량적 부하 요건은 기본 시스템이 기능하는데 필요한 전기 부하들을 포함하며;
    공칭 부하를 갖는 상기 시설의 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 전력을 제공하며, 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들은 상기 기본 시스템에 대해 독립적이고, 상기 공칭 부하는 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들의 기능과 관련된 전기 부하들을 포함하며; 및
    기본 시스템의 비재량적 부하 요건들을 모니터링하고, 기본 시스템 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은 또한,
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 감소시키고;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 기본 시스템으로 공급되는 전력을 증가시키고;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 증가시키고;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 기본 시스템으로 공급되는 전력을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 시스템.
  13. 데이터 센터 시설을 위한 연료 전지 전력 시스템으로서, 상기 연료 전지 전력 시스템은,
    적어도 하나의 연료 전지, 상기 적어도 하나의 연료 전지는,
    서버 랙의 비재량적 부하 요건을 충족하도록 데이터 센터 시설의 상기 서버 랙에 전력을 제공하고, 상기 비재량적 부하 요건은 서버 랙이 기능하는데 필요한 전기 부하들을 포함하며;
    공칭 부하를 갖는 상기 데이터 센터 시설의 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 전력을 제공하고, 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들은 상기 서버 랙에 대해 독립적이고, 상기 공칭 부하는 상기 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들의 기능과 관련된 전기 부하들을 포함하며; 및
    서버 랙의 비재량적 부하 요건들을 모니터링하고, 서버 랙 및 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들에 대한 전력 공급을 제어하는 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은 또한,
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 감소시키고;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 증가를 충족시키도록, 서버 랙으로 공급되는 전력을 증가시키고;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 검출함에 응답하여:
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 공칭 부하로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들로 공급되는 전력을 증가시키고;
    비재량적 부하 요건의 일시적인 감소를 충족시키도록, 서버 랙으로 공급되는 전력을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 또한,
    복수의 보조 부하 소비 시스템들로부터 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들을 선택하고, 각각의 보조 부하 소비 시스템은 대응하는 공칭 부하 설정 포인트 및 상기 공칭 부하 설정 포인트을 포함하는 대응하는 작동 부하 범위를 가지며;
    대응하는 공칭 부하 설정 포인트로부터 대응하는 작동 부하 범위 내의 다른 부하 값으로, 선택된 보조 부하 소비 시스템들 각각에 공급되는 전력을 조정하고;
    부하 값을 충족하도록, 하나 이상의 보조 부하 소비 서비스로부터 전력을 전환하거나 하나 이상의 보조 부하 소비 서비스에 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 또한, 공칭 부하 설정 포인트에서 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 전력을 제공하기 위해 연료 전지의 전력 출력을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 또한, 복수의 부하 소비 시스템들 중 각각의 보조 부하 소비 시스템에 순위를 할당하도록 구성되고, 상기 제어 시스템은 할당된 순위에 기초하여 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템을 선택하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 시스템.
  17. 제12항의 연료 전지 전력 시스템을 포함하는 시설.
  18. 제13항의 연료 전지 전력 시스템을 포함하는 데이터 센터 시설로서, 상기 데이터 센터 시설은,
    하나 이상의 서버들을 포함하고 비재량적 부하 요건을 갖는 서버 랙; 및
    공칭 부하 설정 포인트를 갖는 하나 이상의 보조 부하 소비 시스템들
    을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 센터 시설.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 서버 랙의 비재량적 부하는, 서버들의 연산 능력 및 서버들 및/또는 서버 랙의 내부 냉각에 필요한 부하를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 센터 시설.
  20. 제17항에 있어서,
    보조 부하 소비 시스템들은 조명, 환기, 에어 컨디셔닝, 난방 및/또는 냉방, 전기 온수 저장, 냉동, 또는 보조 부하 소비 서비스들로서 연결된 배터리 작동 디바이스들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 시설.
  21. 제17항에 있어서,
    비재량적 부하 요건을 충족시키기 위한 전력은 배터리, 커패시터, 및 지방자치단체의 전력망 중 적어도 하나에 의해서 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 시설.
  22. 제17항에 있어서,
    하나 이상의 보조 부하 소비 시스템에 대한 전력은 배터리, 커패시터, 및 지방자치단체의 전력망 중 적어도 하나에 의해서 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 시설.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell)인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 전력 시스템.
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